双向拉伸光学薄膜生产线工艺设备分析

方 青，程志辉，王宁威

FANG Qing1,CHENG Zhi-hui2,WANG Ning-wei1

（1. 北京机械工业自动化研究所，北京 100120；2. 安徽铜峰电子股份有限公司，安徽 244000）

0 引言

随着近几年电子设备的飞速发展，从手机、电脑、电视的液晶显示再到LED、激光器等，它充斥我们生活的方方面面，并使我们的生活更加丰富多彩。

光学薄膜的主要原材料是聚酯（PET）和根据不同用途的光学薄膜增加不同的添加剂，图1所述的薄膜基膜均为PET薄膜。基膜的生产通过双向拉伸设备将聚酯(PET)进行干燥预结晶、挤出熔融、铸片、拉伸、牵引、收卷等工序形成。

光学薄膜常用有高反射膜、减反射膜、滤光膜、滤色膜、增透膜、聚光膜、扩散膜、偏光膜等，任何一种膜它都是光通过介质膜层光的反射、透射和偏振等特性以达到想要的在某一或多个波段范围内光的全部反射或全部透射或光的偏振分离等各种特殊形态的光。

光学薄膜作为一种介质，它要求介质内部一致，不能有色差、斑点等，使每一束光的路径达到理想的效果。所以对基膜要求高，对其表面要求更高，给生产带来很大难度，以下是针对光学薄膜和双向拉伸设备各部分之间进行生产工艺分析。

1 干燥系统

图1 光学薄膜示意图

光学薄膜主要原材料聚酯（PET）具有高吸湿性，暴露在空气中将吸收空气中的水份，聚酯（PET）在熔融挤出、铸片之前需要充分除去其中的水份，避免形成的铸片中产生气泡，同时在干燥过程中升至合适的温度使材料预结晶，增加铸片的强度，有利于纵向、横向的拉伸，干燥过程中还需要保证原材料的干燥时间，温度均匀性一致，使所有聚酯材料湿度在40PPM以下，如时间过长，易使聚酯材料软化架桥现象，所以干燥时采用压缩空气、罗茨风机鼓吹暖风，通过震荡筛、干燥塔，保证所有聚酯切片受温、受热一致。

2 挤出系统

挤出系统包括挤出机、熔体计量泵、熔体过滤器、熔体管线、静态混合器等，经过预结晶和干燥处理后的聚酯切片经过单螺杆挤出机或双螺杆挤出机加热熔融、塑化，挤出后通过高精度熔体计量泵提供稳定的压力，再通过过滤器去除熔体中可能存在的杂质，凝胶粒子、鱼眼等异物。熔体管线起挤出机、计量泵、过滤器、模头之间的连接作用，光学薄膜要求高，挤出系统对制造光学薄膜很关键，一般挤出机采用单螺杆挤出机，对于光学薄膜生产线现都采用双螺杆挤出机，塑化效果好，减少剪切力，同时双螺杆挤出机有一套抽真空系统，具有很好的排气、除湿功能，可以将干燥不彻底的聚酯切片中的水份抽走，还能抽走部分低聚物，计量泵选高精度计量泵使压力更加稳定，以克服熔体通过过滤器的阻力，压力越稳，薄膜的纵向厚薄均匀性越好，选择过滤器滤网时，要求滤网密度高，网孔一般都选用15—20um，有利于更好去除熔体中杂质，过滤器过滤面积的大小设计的合理性对光学薄膜生产也十分重要，要保证熔体经过过滤器的合理时间，同时不能出现死角或不同路径出现流过时间不一致，造成熔体温度不均匀，熔体管线仅起连接作用，一般越短越好，以免熔体停留时间过长产生降解，同时熔体流过时间过长，产生熔体管内芯部和管壁熔体温度不一致，使薄膜形成色差。

3 铸片系统

铸片系统由模头、急冷辊（冷鼓）、静电吸附装置、背风等设备组成，铸片系统是光学薄膜片材生产最关键部分，模头是流延铸片关键模具，直接决定铸片的外形和厚度均匀性，聚酯拉伸线常采用衣架型模头，模头开度通过若干个带有加热线圈的推拉式差动螺栓初调，生产线生产时基本稳定后再通过测厚仪自动测厚，反馈给模头加热螺栓，调整加热功率，控制螺栓的伸长进行唇口开度的微调，保证薄膜横向的均匀性，光学薄膜的表面和厚薄均匀性要求高，对模头唇口的光洁度、唇口柔刃度和螺栓热膨胀系数的合理性以及每一螺栓控制的宽度有严格的要求。静电吸附装置是将从模头流出呈粘流态的聚酯熔体使其很好的不转入空气贴服在匀速转动的急冷辊上，被快速、均匀地冷却至玻璃化温度以下，形成厚度均匀的玻璃态铸片。静电吸附装置是由静电吸附丝、电极、高压发生器、电极丝收放卷装置和伺服定位装置构成。其原理是：利用高压15KV的直流电压通过静电吸附丝（正极），在电极丝与急冷辊（负极）之间产生高压静电场，因聚酯是极性分子，聚酯厚片在此静电场中朝着相反的方向受力，在静电的作用下聚酯厚片紧紧与急冷辊相贴，排除空气使热传导效果良好。如果没有外力的作用，一方面经急冷的铸片不易贴附在辊筒表面，另一方面，在厚片和急冷辊之间会夹杂空气，降低热传低效果，严重影响厚片形成的质量，会造成洁净度高、结晶不均匀、径缩大、甚至有水波纹等缺陷，对后续的纵向拉伸和横向拉伸产生严重影响以致薄膜不合格。

静电吸附力为F=K×V/δ×Ф2

由上公式可知，吸附力与电压V成正比，与吸附丝和冷辊的距离δ、吸附丝直径Ф的平方成反比。吸附丝的直径一般为0.02-0.2之间。

在生产的过程中，聚酯厚片会产生低聚物凝聚在吸附丝表面，影响吸附效果，所以吸附丝要通过收放卷装置不断的移动，此装置还需接高压发生器，绝缘和缠绕精度是很重要的性能，要平稳的卷绕不影响静电场。因此卷绕的设计十分重要，静电吸附丝的直径很小，仅能承受20牛左右的拉力，并且还要接上高压静电，整套传动机构十分精密。

由于国内没有成熟的设计，我们只有自己开发，经过我们的研究和开发，成功完成了静电吸附装置的设计，并且交付使用，效果良好。

因光学薄膜较厚，一般都在100um到250um之间，使得铸片很厚，仅靠冷鼓冷却到玻璃态，会使铸片冷鼓面和背面温差大，背风装置主要使铸片两面均匀冷却。

4 拉伸系统

光学薄膜采用的都是双向拉伸设备，其中分为两步拉伸和同步拉伸，两步拉伸是现在最常见的拉伸设备，分为纵向拉伸和横向拉伸，纵拉是将来自铸片机的厚片在纵向拉伸机组中加热到高弹态下进行一定倍数的纵向拉伸。纵向拉伸机由预热辊、拉伸辊、冷却辊、张力辊和橡胶压辊、红外加热管、加热机组以及驱动装置等组成。纵向拉伸通常为单点拉伸，也有多点拉伸，如两点或三点拉伸。纵拉比是通过慢拉辊与快拉辊之间的速度差而产生的，一般为3～4倍。因为拉伸过程中经过的辊比较多，很容易使薄膜表面产生划痕，又因聚酯铸片厚、拉伸过程中辊面温度低，拉力很大，所以辊的质量要求表面光洁度高，同时表面硬度大，特别是拉伸辊。横向拉伸机是双向拉伸生产线的最为重要的一个机组，它由：链夹、导轨、导轨支撑、条幅机构、外围框架、保温板等构成，其中最为关键的就是链夹。链夹的加工工艺复杂，精度要求高，要在温度达到250摄氏度的环境中长期运行，同时要求整体质量稳定，一致性互换性好。同步拉伸是纵向和横向同时拉伸，设备成本较高，还在提高阶段，已经被应用在生产高端薄膜上，这些薄膜包括光学级薄膜、超薄薄膜以及许多其他具有极高稳定物理性能的薄膜。因为在拉伸工艺过程中，薄膜不会接触到任何辊筒，所以与传统的两步拉伸工艺相比，同步拉伸薄膜的光学性能及表面性能有了质的飞跃。

薄膜通过同步拉伸或两步法拉伸后进入牵引机组电晕、切边，再进入收卷机组进行卷曲形成成品膜卷。

整个光学膜双向拉伸或同步拉伸生产线是一个系统工程，每一套设备只有认真分析设计才能达到要求。在实际中，还有许多问题需要引起重视，如：

1）挤出机的压力如何稳定？这与挤出机的螺杆设计、上料系统及控制系统均有很大关系；

2）薄膜出现晶点，气泡现象；

3）薄膜出现横向波纹，等等。

这些问题的关联性强，比较难分析，看似和工艺关系密切，实际在设备设计时就应考虑到如何避免上述问题的发生。

除了对光学薄膜内在的要求分析，光学薄膜对表面的要求也十分高，辊筒表面的光洁度要求高，对轴承、辊筒的动平衡都有要求，今后在此方面要更深入的研究，只有内部和外部工艺都十分成熟才能生产出高质量光学薄膜。

[1] Toshitaka kanai; Gregory A Campbell 塑料薄膜加工技术,2003.

[2] 杨始堃. 双向拉伸聚酯薄膜(BOPET)生产工艺技术(7).横向拉伸工艺 [J]. 聚酯工业,2006(04).

[3] 双向拉伸聚酯薄膜纵向拉伸方式及预热技术 [J]. 合成技术及应用,2008(2).